[論文レビュー] `17-15' Superconductivity - Rh17S15 and Pd17Se15

H. R. Naren, A. Thamizhavel+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2010

Rare-earth and actinide compounds参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、2.2 K未満で超伝導転移を示すPd17Se15の発見を報告し、Rh17S15と同一構造を示す超伝導体としての位置づけを確立した。Rh17S15は強い電子相関と多バンド超伝導を示し、高い上臨界磁場と増大した Sommerfeld 系数（108.41 mJ/mol·K²）を示すが、Pd17Se15はPd–Pd間隔が大きく、フェルミ準位における状態密度が低いことから、弱い相関を示し、従来のBCS型機構に近いと考えられる。

ABSTRACT

The presence of strongly correlated superconductivity in Rh17S15 has been recently established. In this work, we compare the normal and superconducting parameters of a single crystal of Rh17S15 with those of a polycrystalline sample of Pd17Se15 which is reported here for the first time to be a superconductor below 2.2 K. Pd17Se15, which is iso-structural to Rh17S15 (space group Pm3m), has very different properties and provides for an interesting study in contrast with Rh17S15. We see that large unit volume of Pd17Se15 and the large separation of Pd-Pd atoms in its structure as compared those in a pure Pd metal lead to the absence of strong correlations in this compound. Finally, we report band structure calculations on these two compounds and compare the density of states with estimates from heat capacity data. Upper critical field, Heat capacity (down to 500 mK), Hall effect and band structure studies suggest that Rh17S15 is a multiband superconductor.

研究の動機と目的

• Rh17S15と同一構造を示す新しい超伝導体Pd17Se15の超伝導的性質を調査すること。
• Rh17S15とPd17Se15の正常状態および超伝導状態のパラメータを比較し、電子相関の役割を理解すること。
• Rh17S15における超伝導が非単純的であり、強い電子相関によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 密度汎関数理論（LDAおよびLDA+U）が、これらの複雑な chalcogenide 系における状態密度および電子-格子結合定数の予測にどの程度正確であるかを評価すること。
• 比熱、上臨界磁場、ホール効果といった実験的測定値をバンド構造計算および理論モデルと照合すること。

提案手法

• 1150 °Cでの固体反応を経て単結晶Rh17S15および多結晶Pd17Se15を合成し、制御された冷却とアニール処理を実施。
• 粉末X線回折（XRD）およびReitveld解析を用いた構造的特徴付けにより、両化合物が単相の立方晶Pm3m構造を有することを確認。
• 電子プローブマイクロアナリシス（EPMA）を用いて化学 stoichiometry を検証し、顕著な非化学計量性の有無を除外。
• 500 mKまで低下した比熱測定により、電子 Sommerfeld 系数（γ）を抽出し、等エントロピー法を用いてTcを推定。
• 磁化度、抵抗率、ホール効果測定を実施し、超伝導転移、上臨界磁場（Hc2）、キャリア密度を調査。
• LDAおよびLDA+Uを用いた密度汎関数理論（DFT）計算により、バンド構造および状態密度（DOS）を計算し、実験的γ値と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pd17Se15はボリューム超伝導体であるか？その臨界温度は何か？
• RQ2 Rh17S15とPd17Se15の超伝導パラメータ（Tc、Hc2、γ、ΔCp/γTc）を比較すると、電子相関の強さにどのような意味があるのか？
• RQ3 なぜRh17S15は強い電子相関と非単純な超伝導を示す一方、Pd17Se15はそうではないのか？
• RQ4 標準的なLDA計算が、これらの系におけるフェルミ準位における状態密度をどの程度正確に予測できるのか？
• RQ5 LDA+U補正は、Rh17S15およびPd17Se15における電子-格子結合定数（λ）の実験的・理論的推定値の乖離を解消できるのか？

主な発見

• Pd17Se15は、ゼロ抵抗、抗磁性シールド、および比熱の急激な低下により確認され、2.2 Kでボリューム超伝導体であることが判明した。
• Rh17S15の Sommerfeld 系数（γ）は108.41 mJ/mol·K²であり、強い電子相関を示すが、Pd17Se15は顕著に低いγ値を示し、相関が弱いことと整合的である。
• Rh17S15の上臨界磁場（Hc2）は3 Kで約13 Tであり、パウリ制限を上回っており、スピン三重項または強い結合ペアリングを示唆するが、Pd17Se15は従来の挙動を示す。
• Rh17S15のTcにおける比熱ジャンプから得られるΔCp/γTcは約2.68であり、BCS理論の1.43をはるかに上回っており、フォノン媒介ペアリングを超える強い電子-電子相互作用を示唆している。
• LDA+U計算により、Rh17S15のフェルミ準位における状態密度は11.4状態/eV・式単位、Pd17Se15では6.0状態/eV・式単位に低下し、理論的λ値がPd17Se15ではMcMillanの推定値と整合的になったが、Rh17S15では依然として不一致が残存した。
• Rh17S15におけるフェルミ準位における状態密度は、主にRh 24m原子（80%以上を占める）に起因しており、フェルミ準位がDOSのピーク上に位置していることから、強い相関と多バンド超伝導が支持される。